CN113225028A - 一种具有非互易性的片上反射型量子放大器 - Google Patents

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耿霄
何永成
戴根婷
何楷泳
赵昌昊
刘建设
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    • H03F—AMPLIFIERS
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Abstract

本申请公开了一种具有非互易性的片上反射型量子放大器，本申请实施例提供的量子放大器为具有隔离功能和放大功能的两端口片上器件，体积小、耗散低，具有非互易性。本申请实施例提供的量子放大器实现了将输入信号和输出信号隔离开来，防止了信号反射对量子芯片造成干扰。本申请实施例提供的量子放大器能与超导电路集成，在规模化超导量子计算机的量子比特的高保真度测量中具有重要作用，非常有利于超导量子计算机的规模化发展。

Description

一种具有非互易性的片上反射型量子放大器
技术领域
本申请涉及但不限于量子计算技术领域，尤指一种具有非互易性的片上反射型量子放大器。
背景技术
在超导量子测试系统中，量子信息的传输不仅需要放大，还需要隔离外界信号的反作用。相关技术中，一方面，隔离器、环行器和量子放大器均为独立器件，体积大、热损耗严重，不利于超导量子计算机的规模化发展；另一方面，量子放大器增益带宽积(GBP，Gain-Bandwith Product)较小，也就是说，对于同一量子放大器，GBP是确定的，如果需要得到较大的增益，那么其只能在更窄的带宽范围内工作，如果想要在更宽的带宽范围内工作，增益就会降低，否则会造成放大后的输入信号的失真。其中，GBP是带宽和带宽的增益的乘积，用于简单衡量放大器的性能的一个参数。
发明内容
本申请提供一种具有非互易性的片上反射型量子放大器，具有隔离功能和放大功能，体积小、热损耗低，有利于超导量子计算机的规模化发展。
本发明实施例提供了一种具有非互易性的片上反射型量子放大器，包括：集成在一颗芯片上的一个以上环行器、一个以上量子放大器；其中，
环行器为多端口的片上超导环行器，其中，一个输入端口，用于输入量子信息或者与相邻环行器的输出端口连接；一个输出端口，用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出放大后的量子信息；剩余端口用于分别连接负载；
其中，负载包括反射型量子放大器或预设阻值的电阻，且至少一个负载为反射型量子放大器。
在一种示例性实例中，所述剩余端口包括两个端口；
所述剩余端口中的一个端口连接的负载为预设阻值的电阻，所述剩余端口中的另一个端口连接的负载为一反射型量子放大器；或者，所述剩余端口中的一个端口连接的负载为一反射型量子放大器，所述剩余端口中的另一个端口连接的负载为另一反射型量子放大器。
在一种示例性实例中，所述环行器包括一个四端口的片上超导环行器，所述反射型量子放大器包括两个反射型量子放大器；其中，
所述环行器中用于连接负载的一个端口上连接第一量子放大器；用于连接负载的另一个端口上连接第二量子放大器；
所述环行器的输入端口为所述片上放大器的输入端口，所述环行器的输出端口为所述片上放大器的输出端口。
在一种示例性实例中，所述环行器包括NC个四端口的片上超导环行器，所述反射型量子放大器包括二的倍数个以上反射型量子放大器，NC≥2；其中，
一个所述环行器中用于连接负载的一个端口上连接第一量子放大器；用于连接负载的另一个端口上连接第二量子放大器；
第一环行器的输入端口为所述片上放大器的输入端口，第一环行器的输出端口与第二环行器的输入端口连接，第二环行器的输出端口与第三环行器的输入端口连接，…以此类推，第(NC-1)环行器的输出端口与第NC环行器的输入端口连接，第NC环行器的输出端口为所述片上量子放大器的输出端口。
在一种示例性实例中，所述反射型量子放大器为：约瑟夫森参量放大器JPA，或者阻抗变换参量放大器IMPA。
在一种示例性实例中，当所述连接负载包括预设阻值的电阻时，所述预设阻值为50欧姆。
本申请实施例提供的具有非互易性的片上反射型量子放大器为具有隔离功能和放大功能的两端口片上器件，体积小、耗散低，具有非互易性。本申请实施例提供的片上量子放大器实现了将输入信号和输出信号隔离开来，防止了信号反射对量子芯片造成干扰。本申请实施例提供的片上量子放大器能与超导电路集成，在规模化超导量子计算机的量子比特的高保真度测量中具有重要作用，非常有利于超导量子计算机的规模化发展。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1(a)为本申请实施例中片上量子放大器的一种实施例的组成结构示意图；
图1(b)为本申请实施例中片上量子放大器的另一种实施例的组成结构示意图；
图1(c)为本申请实施例中片上量子放大器的又一种实施例的组成结构示意图；
图2(a)为本申请实施例中一种四端口片上超导环行器构成的片上量子放大器的组成结构示意图；
图2(b)为本申请实施例中另一种四端口片上超导环行器构成的片上量子放大器的组成结构示意图；
图3为本申请中一种片上量子放大器的实施例的连组成结构意图；
图4为本申请中另一种片上量子放大器的实施例的组成结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本申请实施例中的具有非互易性的量子反射型放大器(本文中可以简称为片上量子放大器)包括：集成在一颗芯片上的一个以上环行器、一个以上反射型量子放大器；其中，
环行器为多端口的片上超导环行器，其中，一个输入端口，用于输入量子信息或者与相邻环行器的输出端口连接；一个输出端口，用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出放大后的量子信息；剩余端口用于分别连接负载；
其中，负载包括反射型量子放大器或预设阻值的电阻，且至少一个负载为反射型量子放大器。
在一种示例性实例中，当上述剩余端口包括两个端口时，剩余端口中的一个端口连接的负载为预设阻值的电阻，剩余端口中的另一个端口连接的负载为一反射型量子放大器；或者，剩余端口中的一个端口连接的负载为一反射型量子放大器，剩余端口中的另一个端口连接的负载为另一反射型量子放大器。
图1(a)为本申请实施例中量子放大器的一种实施例的组成结构示意图，本实施例中的量子放大器包括多个连接有反射型量子放大器的三端口铁氧体环行器级联构成，如图1(a)所示，按照逆时针方向，三端口铁氧体环行器的三个端口分别包括第一端口、第二端口和第三端口，其中，第二端口连接一反射型量子放大器，第一端口和第三端口分别为实施例中片上量子放大器的输入端口和输出端口，输入端口用于输入量子信息或者与相邻环行器的输出端口连接，输出端口用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出信号。
图1(b)为本申请实施例中片上量子放大器的另一种实施例的组成结构示意图，如图1(b)所示，以四端口片上超导环行器为例，按照逆时针方向，四端口片上超导环行器的四个端口分别包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，为了示意整洁，图1(b)以环行器连接一个量子放大器为例，因此，本实施例中的第四端口连接一预设阻值的电阻，第二端口连接一反射型量子放大器，第一端口和第三端口分别为实施例中片上量子放大器的输入端口和输出端口，输入端口用于输入量子信息或者与相邻环行器的输出端口连接，输出端口用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出信号。
经过匹配阻抗的端口的信号会被阻抗吸收，因此，为了保证信号能经过本申请片上量子放大器的放大后输出，如果剩余端口中包括一个连接阻抗的端口，那么，这个端口为多端口环行器上按照逆时针方向排列的最后一个端口，如果剩余端口中包括两个以上连接阻抗的端口，这两个以上端口依次包括多端口环行器上按照逆时针方向排列的最后一个端口和倒数第二个端口、倒数第三个端口…，以此类推。图1(c)为本申请实施例中片上量子放大器的又一种实施例的组成结构示意图，如图1(c)所示，以n端口环行器为例，按照逆时针方向，该多端口环行器的n个端口分别包括第1端口、第2端口…第(m+1)端口、第(m+2)端口、第(m+3)端口…第(n-1)端口和第n端口，如果本实施例中需要连接m个量子放大器、(n-m-2)个阻抗，那么，第一端口为输入端口，第2端口～第(m+1)端口分别连接反射型量子放大器，第(m+2)端口为输出端口，第(m+3)端口～第n端口分别连接阻抗。以四端口环行器为例，如图1(b)所示的示例，环行器是一个四端口环行器，如果只连接一个反射型量子放大器，那么剩余端口中的另一个端口会连接阻抗，且这个连接阻抗的端口为环行器上按照逆时针方向排列的最后一个端口即第四端口。
本申请实施例提供的片上量子放大器可以包括多级，通过输入端口和输出端口级联组成，下文将结合图4所示实施例介绍。
在一种示例性实例中，预设阻值可以为50欧姆。在其他一些实施例中，用户可根据实际情况自行设置该阻值。
在一种示例性实例中，反射型量子放大器可以包括如：约瑟夫森参量放大器(JPA，Josephson Parametric Amplifier)，或者阻抗变换参量放大器(IMPA，Impedance-transformed Parametric Amplifier)，或其他反射型放大器等。
在一种示例性实例中，当反射型量子放大器包括两个以上时，不同的反射型量子放大器的放大倍数可以相同，也可以不同，也可以是部分相同，还可以是部分不相同。
在一种示例性实例中，当反射型量子放大器包括两个以上时，不同的反射型量子放大器的带宽可以相同，也可以不同，也可以是部分相同，还可以是部分不相同。
本申请实施例提供的片上量子放大器为具有隔离功能和放大功能的两端口片上器件，体积小、耗散低，具有非互易性。本申请实施例提供的片上量子放大器实现了将输入信号和输出信号隔离开来，防止了信号反射对量子芯片造成干扰。本申请实施例提供的片上量子放大器能与超导电路集成，在规模化超导量子计算机的量子比特的高保真度测量中具有重要作用，非常有利于超导量子计算机的规模化发展。
本申请实施例提供的片上量子放大器(QA，Quantum Amplifier)是一个两端口器件，第一个环行器的输入端口为QA的输入端口，最后一个环行器的输出端口为QA的输出端口。
图2(a)为本申请实施例中一种四端口片上超导环行器构成的片上量子放大器的组成结构示意图，在一种实施例中，以四端口环行器，如图2(a)所示，按照逆时针方向，本申请实施例中的片上超导环行器的四个端口分别包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口，其中，第二端口和第三端口分别连接一反射型量子放大器，第一端口和第四端口分别为输入端口和输出端口，输入端口用于与相邻环行器的输出端口连接，输出端口用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出信号。
图2(b)为本申请实施例中另一种四端口片上超导环行器构成的片上量子放大器的组成结构示意图，在一种实施例中，以四端口环行器，如图2(b)所示，按照逆时针方向，本申请实施例中的片上超导环行器的四个端口分别包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口，其中，第二端口连接一反射型量子放大器，第四端口连接一阻抗，第一端口和第三端口分别为输入端口和输出端口，输入端口用于与相邻环行器的输出端口连接，输出端口用于与相邻环行器的输入端口连接。
图3为本申请中一种片上量子放大器的实施例的连接示意图，如图3所示，片上量子放大器包括集成在一颗芯片上的一个环行器，两个反射型量子放大器，其中，环行器为四端口的片上超导环行器，环行器连接有两个反射型量子放大器(如图3中的第一量子放大器和第二量子放大器)，第一量子放大器连接在环行器的用于连接负载的一个端口上，如图3所示，本实施例中以连接在第二端口上为例，第二量子放大器连接在环行器的用于连接负载的另一个端口上，如图3所示，本实施例中以连接在第三端口上为例。图3所示的片上量子放大器可以称为两级QA(TQA，Two-stage Quantum Amplifier)，TQA是一个两端口器件，环行器的输入端口为TQA的输入端口如图3中的第一端口，环行器的输出端口为TQA的输出端口如图3中的第四端口。
相关技术中的量子放大器，如果想要较大的增益，只能在更窄的带宽范围内工作，如果想要在更宽的带宽范围内工作，那么，增益就会降低，否则会造成放大后的输入信号的失真。而本申请实施例提供的片上量子放大器，不需要担心增益和带宽问题，实现了按照所需的带宽和增益随意调节。
以图3所示的一种片上量子放大器为例，也就是以包括一个环行器和两个反射型量子放大器的集成在一颗芯片上的片上量子放大器为例：
假设两个反射型量子放大器即第一量子放大器和第二量子放大器的带宽相同时，放大倍数分别为a1和a2。如图3所示，量子信号从量子芯片输出至TQA，量子信息通过端口a(如图3中的第一端口)进入环行器，再通过端口b(如图3中的第二端口)进入至第一量子放大器；量子信号经过第一个量子放大器放大a1倍，再反射回环行器，通过端口b再次进入环行器，再经过端口c(如图3中的第三端口)进入到第二个量子放大器，此时量子信号经过了两次放大，量子信号被放大了a1a2倍，也即增益变为之前的a1a2倍，将增益取对数即为10[lg(a1)+lg(a2)]分贝(dB)，同时增益带宽积也变为之前的a1a2倍，将增益带宽积取对数即为10[lg(a1)+lg(a2)]dB。
假设两个反射型量子放大器的放大倍数相同，均放大m倍，也即增益相同时，以第一个量子放大器带宽范围为
Figure BDA0003049803390000071
第二个量子放大器带宽范围为
Figure BDA0003049803390000072
量子信号从量子芯片输出至TQA，量子信号通过端口a进入环行器，再通过端口b进入至第一个量子放大器；量子信号经过第一个量子放大器放大m倍，带宽范围为
Figure BDA0003049803390000073
带宽为
Figure BDA0003049803390000074
Figure BDA0003049803390000075
再反射回环行器，通过端口b再次进入环行器，再经过端口c进入到第二个量子放大器，此时量子信号经过了两次放大，带宽范围变为
Figure BDA0003049803390000076
带宽为Δf＝Δf1+Δf2,其中，
Figure BDA0003049803390000077
Figure BDA0003049803390000078
同时增益带宽积也变为之前的mΔfGHz，将增益带宽积取对数即为10Δflg(m)dB。
相关技术中的一级独立器件的量子放大器，其GBP是一个定值。当带宽增加时，增益变小，当带宽减少时，增益变大。而本申请实施例提供的TQA，当带宽一定时，增益变为之前的a1a2倍，也即增益带宽积变为之前的a1a2倍；当增益一定时，也即放大倍数一定时，带宽变为ΔfGHz，增益带宽积也变为之前的mΔfGHz，将增益带宽积取对数即为10Δflg(m)dB。从上述分析可见，无论是带宽一定的方式还是增益一定的方式，带宽增益积都变大了，也就是说提升了量子放大器的性能。而且，本申请实施例提供的TQA的带宽增益积实现了按需调整，更加灵活，更加有利于超导量子计算机的规模化发展。
量子放大器是超导量子计算中极低温区量子比特读出电路的关键器件。但是，当相关技术中的一级独立器件的量子放大器用于更大规模的量子算法和容错量子计算时，其带宽和增益受到了极大限制。而本申请实施例提供的具有非互易性的片上两级量子放大器，具有更大的带宽和增益，而且本申请实施例提供的片上量子放大器甚至可以连同代替将相关技术超导量子测试系统中的高电子迁移率晶体管(HEMT，High-Electron MobilityTransistor)放大器，也就是说，采用本申请实施例提供的片上量子放大器的超导量子测试系统中不需要HEMT放大器，更加有利于超导量子计算机的规模化发展。
图4为本申请另一种片上量子放大器的实施例的组成结构示意图，如图4所示，本实施例中的片上量子放大器包括两个以上环行器、二的倍数个以上量子放大器集成在一颗芯片上的片上量子放大器，每个环行器连接有两个反射型量子放大器。图4所示的片上量子放大器是一种具有非互易性的片上多级量子放大器(MQA，Multistage QuantumAmplifier)。如图4所示，包括：NC个环行器、NA个量子放大器，其中NC、NA为整数，NC≥2,NA≥2。
假设NA个反射型量子放大器的带宽相同时，放大倍数分别为
Figure BDA0003049803390000081
Figure BDA0003049803390000082
倍。量子信号从量子芯片输出至MQA，量子信息通过端口a进入第一环行器，再通过端口b进入至第一量子放大器；量子信号经过第一量子放大器放大a1倍，再反射回第一环行器，通过端口b再次进入第一环行器，再经过端口c进入到第二量子放大器，此时量子信号经过了两次放大，原量子信号被放大a1a2倍；量子信号再反射回第一个环行器，通过端口d进入第二环行器，依次经过第二环行器中的第三放大器和第四放大器后，原量子信号被放大a1a2a3a4倍，就这样一级一级传输下去，当量子信号进入第NC环行器时，依次经过第(NA-1)量子放大器、第NA量子放大器后，原量子信号被放大
Figure BDA0003049803390000091
倍，也即增益变为之前的
Figure BDA0003049803390000092
倍，将增益取对数即为
Figure BDA0003049803390000093
Figure BDA0003049803390000094
假设NA个反射型量子放大器的放大倍数相同，均放大m倍，也即增益相同时，带宽范围分别为
Figure BDA0003049803390000095
量子信号从量子芯片输出至MQA，量子信息通过端口a进入第一环行器，再通过端口b进入至第一量子放大器；量子信号经过第一个量子放大器放大m倍，带宽范围为
Figure BDA0003049803390000096
带宽为
Figure BDA0003049803390000097
再反射回第一环行器即通过端口b再次进入第一环行器，再经过端口c进入到第二个量子放大器，此时量子信号经过了两次放大，原量子信号带宽范围变为
Figure BDA0003049803390000098
带宽为
Figure BDA0003049803390000099
其中，
Figure BDA00030498033900000910
Figure BDA00030498033900000911
量子信号再反射回第一环行器，通过端口d进入第二环行器，依次经过第二环行器中的第三放大器和第四放大器后，原量子信号带宽变为
Figure BDA00030498033900000912
就这样一级一级传输下去，当量子信号进入第NC环行器时，依次经过第(NA-1)量子放大器、第NA量子放大器，原量子信号带宽变为
Figure BDA00030498033900000913
也即增益带宽积也变为之前的
Figure BDA00030498033900000914
将增益带宽积取对数即为
Figure BDA00030498033900000915
量子放大器是超导量子计算中极低温区量子比特读出电路的关键器件。但是，当相关技术中的一级独立器件的量子放大器用于更大规模的量子算法和容错量子计算时，其带宽和增益受到了极大限制。而本申请实施例提供的具有非互易性的片上多级量子放大器，具有更大的带宽和增益，而且本申请实施例提供的片上量子放大器甚至可以连同代替将相关技术超导量子测试系统中的高电子迁移率晶体管(HEMT，High-Electron MobilityTransistor)放大器，也就是说，采用本申请实施例提供的片上量子放大器的超导量子测试系统中不需要HEMT放大器，更加有利于超导量子计算机的规模化发展。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种具有非互易性的片上反射型量子放大器，包括：集成在一颗芯片上的一个以上环行器、一个以上量子放大器；其中，
环行器为多端口的片上超导环行器，其中，一个输入端口，用于输入量子信息或者与相邻环行器的输出端口连接；一个输出端口，用于与相邻环行器的输入端口连接或者输出放大后的量子信息；剩余端口用于分别连接负载；
其中，负载包括反射型量子放大器或预设阻值的电阻，且至少一个负载为反射型量子放大器。
2.根据权利要求1所述的片上反射型量子放大器，其中，所述剩余端口包括两个端口；
所述剩余端口中的一个端口连接的负载为预设阻值的电阻，所述剩余端口中的另一个端口连接的负载为一反射型量子放大器；或者，所述剩余端口中的一个端口连接的负载为一反射型量子放大器，所述剩余端口中的另一个端口连接的负载为另一反射型量子放大器。
3.根据权利要求1所述的片上反射型量子放大器，包括：所述环行器包括一个四端口的片上超导环行器，所述反射型量子放大器包括两个反射型量子放大器；其中，
所述环行器中用于连接负载的一个端口上连接第一量子放大器；用于连接负载的另一个端口上连接第二量子放大器；
所述环行器的输入端口为所述片上放大器的输入端口，所述环行器的输出端口为所述片上放大器的输出端口。
4.根据权利要求1所述的片上反射型量子放大器，包括：所述环行器包括NC个四端口的片上超导环行器，所述反射型量子放大器包括二的倍数个以上反射型量子放大器，NC≥2；其中，
一个所述环行器中用于连接负载的一个端口上连接第一量子放大器；用于连接负载的另一个端口上连接第二量子放大器；
第一环行器的输入端口为所述片上放大器的输入端口，第一环行器的输出端口与第二环行器的输入端口连接，第二环行器的输出端口与第三环行器的输入端口连接，…以此类推，第(NC-1)环行器的输出端口与第NC环行器的输入端口连接，第NC环行器的输出端口为所述片上量子放大器的输出端口。
5.根据权利要求1～4任一项所述的片上反射型量子放大器，其中，所述反射型量子放大器为：约瑟夫森参量放大器JPA，或者阻抗变换参量放大器IMPA。
6.根据权利要求1～4任一项所述的片上反射型量子放大器，其中，当所述连接负载包括预设阻值的电阻时，所述预设阻值为50欧姆。
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